DE19603805C2 - Hüttensandfreie Dichtwandmassen und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft mineralische Dichtwandmassen oder dergleichen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung dieser Dichtwand­ massen.

Bindemittelmischungen werden bei der Herstellung von Untergrundabdichtungen zur Verminderung der Wasserverluste von Speichern und Wasserläufen, zur Vergrößerung der Standsicherheit von Wasserbauwerken, zur Verminderung des Wasserandranges in Baugruben bzw. weitreichender Grundwasserabsenkungen, zur Umschließung von Altdeponien und grundwassergefährdeter Produktionsstätten und zur Schaffung von Trinkwasser- und Wärmespeichern verwendet.

Hierzu werden senkrechte Dichtwände, die in der Regel in gering wasserdurchlässige Bodenschichten oder künstlich hergestellte Dichtungssohlen eingebunden sind, in den Boden eingebracht. Derartige Dichtwände werden insbesondere als sogenannte Schlitzwände ausgeführt.

Zum Aushub des Schlitzes werden verschiedene Technologien angewandt, wie beispielsweise das Scrape-, Bohrfräs- oder Bohrschlitzverfahren.

Beim Aufbau der Schlitzwände wird zwischen dem Einphasen- und dem Zweiphasenverfahren unterschieden. Bei beiden Verfahren werden zuerst mit Hilfe von Schlitzwandfräsen, Schlepplöffel/Hydraulikgreifern oder Schlitzwandgreifern die Bodenöffnungen bis zu Tiefen von 50 m und mehr hergestellt.

Beim Zweiphasenverfahren wird zur Abstützung der Erdwände durch hydrostatischen Druck eine Stützflüssigkeit, wie zum Beispiel eine reine Bentonit-Suspension, eingefüllt. In einem zweiten Schritt wird das eigentliche Dichtungsmaterial, zum Beispiel (Erd-)Beton oder bentonithaltiger Beton durch Verdrängung der Stützflüssigkeit eingebracht.

Beim Einphasenverfahren hingegen wird anstelle der Stützflüssigkeit eine Dichtwandmasse, wie zum Beispiel eine Bentonit-Zementsuspension, verwendet, die nach Beendigung des Bodenaushubs im Schlitz verbleibt und langsam aushärtet. Die Dichtwandmasse ist zum Beispiel eine selbsthärtende thixotrope Suspension. Im Zweiphasenverfahren werden also Stütz- und Dichtflüssigkeit getrennt voneinander in zwei Schritten eingebracht, wohingegen im Einphasenverfahren die Stütz- und Dichtfunktion von einer Suspension erfüllt wird.

Vorteilhaft an dem Einphasenverfahren ist, daß ein durchgehend homogener fugenloser Dichtwandschlitz entsteht. Weiterhin ist das Einphasenverfahren wirtschaftlicher, da die Stützflüssigkeit des Zweiphasenverfahrens nicht in einem gesonderten Verfahrensschritt von dem eigentlichen Dichtungsmaterial verdrängt werden muß.

An die flüssige Dichtwandmasse, das heißt an die Frischsuspension, werden die folgenden Anforderungen gestellt: Bevor sie ausgehärtet ist, muß sie eine geringe Viskosität aufweisen, damit sie pumpfähig ist und beim Aushub möglichst schnell aus dem Schlitzwandgreifer abfließt. Weiterhin muß die Suspension stabil sein, das heißt, sie soll sich im Laufe der Zeit möglichst wenig entmischen. Vor allem müssen das Bindemittel und die mineralischen Füllstoffe weitestgehend in Schwebe gehalten werden. Drittens muß die flüssige Dichtwandmasse, wie zum Beispiel eine Bentonit-Zementsuspension, vergleichbare Eigenschaften wie Bentonit-Suspensionen nach DIN 4126 haben, die in der Schlitzwandtechnik als Stützsuspension verwendet wird. Die Eigenschaften der reinen Bentonit-Suspension dürfen durch die Zementzugabe nicht wesentlich verschlechtert werden. So muß die Suspension eine Fließgrenze aufweisen und an den Erdwänden einen Filterkuchen bilden, damit über dessen Membranwirkung der volle hydrostatische Stützdruck übertragen werden kann. Zur Sicherstellung der Membranwirkung darf die Suspension nicht oder nur geringe Strecken in den Boden eindringen. Viertens soll das Erstarren des Zementes nicht vor Beendigung des Aushubs einsetzen, da sonst die Gefahr besteht, daß die Hydratation durch die ständige Bewegung der Schlämme beim Baggerbetrieb gestört wird und es dadurch zu erheblichen Festigkeitsverlusten und einer erhöhten Wasserdurchlässigkeit kommt.

Die erhärtete Dichtwandmasse muß folgende Anforderungen erfüllen: Sie muß erstens eine Mindestdruckfestigkeit aufweisen. Dabei ist anzustreben, daß die Festigkeit des umgebenden Bodenmaterials erreicht wird. Als Mindestdruckfestigkeit werden in der Praxis 0,3 MPa als ausreichend angesehen. Da die Hauptfunktion der Wand eine möglichst geringe Wasserdurchlässigkeit ist, muß auf die Prüfung dieser Eigenschaft und darauf einflußnehmender Faktoren besonderer Wert gelegt werden. Die Wasserdurchlässigkeit darf sich durch die anstehenden Bodenverhältnisse und dem Chemismus des Grundwassers nicht negativ verändern.

Die Dichtwandmasse soll drittens dauerhaft plastisch bleiben, um sich unter Belastungen möglichst rissefrei verformen zu können. Außerdem muß die Erosionssicherheit der Wand in zweierlei Hinsicht gewährleistet sein. An der Grenzfläche Wand/Boden muß vermieden werden, daß einzelne Partikel aus der Dichtwand durch vorbeiströmendes Wasser gelöst werden und es sukzessive bei dieser Erosion zu einer vollständigen Zerstörung der Wand kommt. Außerdem dürfen sich eventuell vorhandene Fehlstellen durch Erosion im Laufe der Zeit nicht aufweiten.

Das Problem bei der Entwicklung geeigneter Dichtwandmassen ist, die genannten sich zum Teil widersprechenden Anforderungen möglichst optimal zu erfüllen. Bei der Herstellung solcher Dichtwandmassen wird zwischen einer einstufigen und einer zweistufigen Herstellung unterschieden. Bei der einstufigen Herstellung werden sämtliche Komponenten der Dichtwandmasse trocken vermischt und als Fertigmischung angeliefert. In der DE-PS 36 33 736 sind beispielsweise solche Trockenmischungen bekannt, die im wesentlichen aus quellfähigen Tonmineralien (Bentonit), Hochofenschlacke und Anreger für die Hochofenschlacke bestehen und die bis zu 25 Gew.-Anteile inerte Füllstoffe aufweisen können. Bei der Herstellung der Dichtwandmasse können Zusätze beigegeben werden, die das Fließverhalten während des Mischvorganges, die Konsistenz oder das Abbinden beeinflussen. Der Einfluß der Thixotropie soll bei den dort beschriebenen Trockenmischungen geringer sein als bei herkömmlichen Massen.

Ferner wird in der DE-OS 38 00 776 eine optimierte Bindemittelmischung beschrieben, die zu den bereits erwähnten Bestandteilen zusätzlich reaktive Kieselsäure (dispers) verwendet und zusammen mit dem Hüttensand, das heißt der glasig erstarrten Hochofenschlacke und dem Anreger für diesen, insbesondere Portlandzement-Klinker, gemeinsam vermahlen wird. Dadurch ist es möglich, eine feststoffreiche Bindemittelmischung zu schaffen, die eine lange Verarbeitbarkeit der Frischmasse bei schwachem bis keinem thixotropen Verhalten, hohe Dichtigkeit und hohe Stabilität der Dichtwand gegen agressive Wässer gewährleistet.

Eine weitere Bindemittelfertigmischung wird in EP 0 239 740 B1 beschrieben, bei der anstelle von Portlandzement-Klinker Kalziumhydroxid als Hydroxy-Ionen bildender Anreger für die Hochofenschlacke verwendet wird und insbesondere die Feststoffe vorzugsweise bereits als feingemahlene Trocken- oder Fertigmischung eingesetzt werden.

Die beschriebene einstufige Herstellung von Dichtwandmassen als Fertigmischungen finden vor allem dann Anwendung, wenn die Zusammensetzung der Dichtwandmasse vor der Baumaßnahme bekannt ist und das Bauvorhaben schnell fertiggestellt werden soll.

Desweiteren ist ein zweistufiges Verfahren zur Herstellung geeigneter Dichtwandmassen bekannt. Dabei wird in einer ersten Stufe bauseits aus dem quellfähigen Tonmineral mit Schichtgitterstruktur und Wasser eine Suspension hergestellt. Dieser Mischvorgang wird mittels energiereicher Mischanlagen durchgeführt, um die Schichten der Gitterstruktur mit Hilfe des Wassers voneinander zu trennen und darin möglichst gleichmäßig zu verteilen. Die frisch gemischte Bentonit-Suspension muß in der Regel etwa vier Stunden aufquellen, um die erwünschten thixotropen Eigenschaften zu erhalten. Danach wird in einem zweiten Mischvorgang der Zement zugefügt und die so hergestellte Dichtwandmasse dann in die zu erstellende Schlitzwand gepumpt.

Bei Einsatz von Zementen nach DIN 1164 oder mit bauaufsichtlicher Zulassung lassen sich nicht in allen Fällen die gewünschten Anforderungen an die Verarbeitbarkeit, die Festigkeit und die Wasserdurchlässigkeit erreichen. Dies wird besonders dann beobachtet, wenn die Schlitze sehr tief auszuheben sind und so über lange Zeit das Erstarren des Zements unterdrückt werden muß. In der Praxis wird die Quellfähigkeit der natürlich vorkommenden quellfähigen Tonminerale mit Schichtgitterstruktur, wie zum Beispiel Kalzium-Bentonit, mit Natriumionen, zum Beispiel durch Zugabe von Soda, erhöht. Man spricht in diesem Zusammenhang auch vom Aktivieren des Bentonits. Noch besser geeignet sind hochquellfähige Natrium-Bentonite. Bei der Verwendung üblicher Zemente werden jedoch Kalziumionen freigesetzt, die den bereits angeregten Bentonit wieder schrumpfen lassen.

Es ist daher Stand der Technik, daß hüttensandreiche Zemente, wie zum Beispiel Hochofenzement, zur Herstellung von Dichtwandmassen verwendet werden. Durch den niedrigen sich bildenden Kalziumhydroxidgehalt wird die Quellfähigkeit des angeregten Bentonits nicht negativ beeinflußt, das heißt es erfolgt keine Rückbildung des aktivierten Natrium-Bentonits in Kalzium-Bentonit.

Nachteilig bei der Verwendung von Hüttensand ist, daß er relativ teuer und nicht überall verfügbar ist.

Die DE 31 05 054 A1 beschreibt Beton, der aus Zuschlägen, Zement, latent­ hydraulischen Stoffen und Ligninsulfat, das als Dispergiermittel eingesetzt wird, besteht.

Die DE 32 06 728 betrifft ein Verfahren zur Verwertung von Ölschiefer zur Herstellung eines normgerechten Bindemittels für Baustoffe. Sulfoniertes Ligninsulfat wird hier nicht verwendet.

Die EP 0239470 B1 beschreibt Trockenmischungen zur Herstellung von Dichtwand­ massen, die bestimmte Mengen an hoch quellfähigem Tonmineral, Hochofenschlacke und eines Hydroxy-Ionen bildenden Anregers für die Hochofenschlacke in einer fein gemahlenen Mischung enthält.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mineralische Dichtwand­ masse bereitzustellen, die eine hüttensandfreie Bindemittelmischung enthält und ein Verfahren zur Herstellung derselben, wobei eine lange Verarbeitbarkeit der Frischmasse bei schwachem thixotropen Verhalten, geringe Filtratwasserabgabe, erhöhte Festigkeit und hohe Dichtigkeit gewährleistet sein soll.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete mineralische Dichtwand­ masse und das Verfahren des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß gelingt die Herstellung von Dichtwandmassen mit hüttensandfreien Bindemittelmischungen, die gebrannten Ölschiefer, Zement-Klinker und sulfoniertes Lignin (Ligninsulfonat) in einer Menge von 0,2-2 Gew.-% enthalten.

Vorteilhaft sind folgende Trockenmischungen:

• a) Gebrannter Ölschiefer nach DIN 1164 Teil 1, Abschnitt 4.5 und ENV 197, 5 bis 95 Gew.-%, insbesondere 60 bis 80 Gew.-%,
• b) Portlandzement-Klinker, 5 bis 90 Gew.-%, insbesondere 20 bis 40 Gew.-%,
• c) Ligninsulfonat 0,2 bis 2,0 Gew.-%, insbesondere 0,6 bis 0,9 Gew.-% Natriumligninsulfonat entzuckert (9% Saccharose).

Bei dem verwendeten Ölschiefer handelt es sich um bitumenarmen Posidonienschiefer mit einem durchschnittlichen Gehalt an organischer Substanz von 10 bis 13%.

Der Ölschiefer wird nach entsprechender Aufbereitung im Wirbelschichtofen gebrannt und anschließend sehr fein vermahlen. Vorzugsweise wird der gebrannte Ölschiefer auf eine Mahlfeinheit, bestimmt gemäß DIN EN 196-6 nach dem Luftdurchlässigkeitsverfahren (Blaine), von 6000 bis 10000 cm²/g gebracht.

Die chemische Zusammensetzung des gebrannten Ölschiefers ist abhängig von der Geologie der Lagerstätte und dem Brennprozeß. Die Durchschnittsanalyse weist etwa 32% CaO, 36% SiO₂, 11% Al₂O₃, 10% SO₃, 7% Fe₂O₃ und geringe Mengen von MgO, K₂O und Na₂O auf (Werte glühverlustbehaftet).

Der gebrannte Ölschiefer ist selbst hydraulisch erhärtend und kann teilweise durch latent-hydraulische Stoffe ersetzt werden. Ebenso ist es möglich, einen Teil des gebrannten Ölschiefers durch Gesteinsmehle, insbesondere aus Kalkstein oder Kalkmergel, zu ersetzen, sofern dadurch nicht die eingangs erwähnten wichtigen Kennwerte der Dichtwandmasse beeinträchtigt werden.

Der verwendete Portlandzement-Klinker besitzt eine praxisübliche Klinkerphasenzusammensetzung gemäß "VDZ-Zement-Taschenbuch 1984 (Bauverlag)" und ist durch eine wesentlich geringere Mahlfeinheit gekennzeichnet. Vorzugsweise wird er auf eine Mahlfeinheit von 2700 bis 4500 cm²/g nach Blaine gemahlen. Gebrannter Ölschiefer und Portlandzement-Klinker werden erfindungsgemäß gemeinsam oder getrennt vermahlen. Bei getrennter Vermahlung werden beide Komponenten in einer geeigneten Bindemittelmischanlage trocken homogen vermischt.

Aus EP 0 239 740 B1 ist die durchschnittliche Zusammensetzung von Hochofenschlacke bekannt. Sie besteht gewöhnlich aus etwa 35 bis 48% CaO, 30 bis 38% SiO₂, 6 bis 18% Al₂O₃ und geringen Mengen von MgO, MnO und Eisenoxiden. Diese Zusammensetzung weicht somit wesentlich von der angegebenen Zusammensetzung des gebrannten Ölschiefers ab.

Ferner hat sich die Verwendung des Ligninsulfonats als Natriumsalz, insbesondere wenn dieses entzuckert ist (ca. 9% Saccharose), als vorteilhaft ergeben.

Zur erfindungsgemäßen Herstellung einer hüttensandfreien Dichtwandmasse ist die genaue Dosierung des Ligninsulfonats von Bedeutung, denn die eingangs genannten zu erzielenden Eigenschaften der Dichtwandmasse werden hierdurch sehr stark beeinflußt. So führt eine Konzentration von beispielsweise mehr als 2,0% Natriumligninsulfonat zu einer Verschlechterung der erhärteten Dichtwandmasse, weil die Druckfestigkeiten viel zu niedrig sind, während eine Unterdosierung von weniger als 0,2% Natriumligninsulfonat die Frischsuspensionseigenschaften verschlechtert, das heißt zum Beispiel Marsh-Zeit und Filtratwasserabgabe werden sehr stark erhöht.

Der erfindungsgemäßen Bindemittelmischung zur Herstellung mineralischer hüttensandfreier Dichtwandmassen können zudem Zusatzmittel beigegeben werden, die zum Beispiel die Oberflächenspannung des Wassers senken und damit das Fließverhalten während des Mischvorgangs und die Konsistenz beeinflußen. Desweiteren können Zusatzmittel eingesetzt werden, die Schutzkolloide bilden. Auch Abbindeverzögerer auf den Klinkeranteil des Bindemittels können verwendet werden.

Angesichts der erfindungsgemäßen Wahl der Feststoffkomponenten und ihrer Mengen bzw. der Zusammensetzung der Trockenmischung gelingt es überraschenderweise, mit Bentoniten unterschiedlicher Zusammensetzung eine hüttensandfreie Dichtwandmasse herzustellen, die alle eingangs geforderten Eigenschaften wie lange Verarbeitbarkeit, niedrige Filtratwasserabgabe, hervorragende Pumpfähigkeit und geringe Wasserdurchlässigkeit bei 28 Tage-Festigkeiten in der Größenordnung von 0,8 N/mm², herzustellen. Die Qualität der Dichtwandmasse läßt sich bei bauseitig angelieferten Bentoniten (zweistufiges Herstellungsverfahren) vor Ort leicht an den Bedarf und den Verbrauch anpassen.

Im folgenden soll ein Ausführungsbeispiel einer Bindemittelmischung zur Herstellung einer hüttensandfreien Dichtwandmasse angegeben werden:

Zur Herstellung der hüttensandfreien Dichtwandmasse wurde ein Spezialbindemittel gemischt, das aus 79,1% gebranntem Ölschiefer, 20% Portlandzement-Klinker und 0,9% Natriumligninsulfonat bestand. Dieses Spezialbindemittel wurde bauseits mit zwei verschiedenen (vorgemischten) Bentonitsuspensionen gemischt. Dazu wurden Bentonit und Spezialbindemittel im Verhältnis 1 : 8,75 Gewichtsteilen gemischt, das heißt zum Beispiel 40 kg Bentonit und 350 kg Spezialbindemittel und 880 l Wasser zugegeben. Der Wasser/Feststoff-Wert betrug somit 2,26.

An der so hergestellten hüttensandfreien Dichtwandmasse wurden folgende Werte im Vergleich zur Null-Probe (ohne Natriumligninsulfonat) gemessen:

Claims (8)

1. Mineralische Dichtwandmasse, die eine hüttensandfreie, gebrannten Ölschiefer, Portland­ zement-Klinker und 0,2 bis 2 Gew.-% Ligninsulfat umfassende Bindemittelmischung enthält.

2. Dichtwandmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindemittelmischung den gebrannten Ölschiefer in Mengen von 5 bis 95 Gew.-%, den Zement-Klinker in Mengen von 5 bis 90 Gew.-% und das Ligninsulfonat enthält.

3. Dichtwandmasse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindemittelmischung den gebrannten Ölschiefer in Mengen von 60 bis 80 Gew.-%, den Zement-Klinker in Mengen von 20 bis 40 Gew.-% und das Ligninsulfonat in Mengen von 0,6 bis 0,9 Gew.-% enthält.

4. Dichtwandmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ligninsulfonat Natriumligninsulfonat ist.

5. Dichtwandmasse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ligninsulfonat entzuckertes Natriumligninsulfonat mit maximal 9% Saccharose ist.

6. Dichtwandmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzliche Additive, zur Senkung der Oberflächenspannung und/oder zur Bildung von Schutzkolloiden und/oder zur Abbindeverzögerung, enthält.

7. Verfahren zur Herstellung einer Dichtwandmasse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gebrannte Ölschiefer und der Zement-Klinker getrennt vermahlen werden und zwar der gebrannte Ölschiefer auf eine Mahlfeinheit, bestimmt gemäß DIN EN 196-6 nach dem Luftdurchlässigkeitsverfahren (Blaine), von über 6000 cm²/g, vorzugsweise 7000 cm²/g, und der Zement-Klinker auf eine Mahlfeinheit von 2700 bis 4500 cm²/g nach Blaine, vorzugsweise von 3000 cm²/g nach Blaine, und beide Komponenten in einer geeigneten Bindemittelmischanlage trocken homogen miteinander vermischt werden.

8. Verfahren zur Herstellung einer Dichtwandmasse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der gebrannte Ölschiefer und der Zement-Klinker gemeinsam vermahlen werden.